Биомеханика - 2014. Материалы XI Всероссийской конференции с международн

вых условиях корневая система и урожайность культур, подверженных вибрации, безусловно превалирует по сравнению с контрольными растениями.

В развитии работы предполагается помимо расширения представительства групп исследование нанотехнологической гистологии клеточного строения свежего среза стволового стебля в обеих группах растений, равно как и объяснение причины выявленной «ажурности» и плоскостности построения корневой системы при воздействии вибрации путем моделирования роста биоструктуры.

Список литературы

1.Korablev S., Shapin V., Filatov Yu. Vibration diagnostics in precision instruments / ed. K. Ragulskis; inglish ed. E. Rivin. – New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1989. – 91 p.

2.Львов С.Е., Блёскин Е.В., Шапин В.И. Математическое моделирование иразработка вибрационных методов на стройке аппарата Илизарова // Биомеханика – 2008: тез. докл. IX Всерос. конф. по био-

мех. – Н. Новгород, 2008. – С. 241.

3.Устройство для вибрационной резонансной диагностики и определения объема движения ключицы: пат. / Шапин В.И., Писарев В.В., Львов С.Е., Красновский С.Я. – № 2264164;

опубл. 2005, Бюл. № 32.

4.Креймер А.Я. Вибрация как лечебный фактор / Томск. ун-т. – Томск, 1972. – 260 с.

5.Способ стимулирования роста растений: пат. / Ершов М.А. – № 2418400; опубл. 19.03.2010.

6.Способ стимулирования роста растений: пат. / Тишков Н.М., Гусева Т.Е., Ветер И.И. – № 2172100;

опубл. 28.12.1999.

7.Способ стимулирования роста древесных растений: пат. / Тищенко В.В. – № 2095966; опубл. 25.11.1992.

8.Способ стимулирования роста растений в теплицах: пат. / Логинов В.В. – № 2182759; опубл. 14.12.1999.

УДК 611.881

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОРНЫХ РЕАКЦИЙ НА ФОНЕ ПРОИЗВОЛЬНОГО ИЗОМЕТРИЧЕСКОГО СОКРАЩЕНИЯ

Р.М. Городничев, Е.А. Михайлова, Д.А. Гладченко, С.М. Иванов, С.А. Моисеев, А.М. Пухов

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта,

Россия, 182100, г. Великие Луки, пл. Юбилейная, 4, gorodnichev@vlgafc.ru

Ключевые слова: Н-рефлекс, точностные усилия, изометрическое сокращение.

Введение

Дальнейшее совершенствование технической подготовки в спорте невозможно без новых знаний о механизмах регуляции произвольных движений, которые можно получить с помощью инновационных методических подходов. Цель исследования состояла в изучении влияния супраспинальных нисходящих влияний и рецепторной афферентации скелетных мышц при выполнении статического усилия разной величины.

Материалы и методы

Исследование приняли участие 12 человек мужского пола. Проводилась регистрация амплитуды H-рефлекса с камбаловидной и медиальной головки икроножной мышц правой ноги биомонитором МЕ 6000 и анализировалась компьютерной программой MegaWin (Mega Electronics, Финляндия). Стимул наносился на большеберцовый нерв в подколенной ямке посредством компьютерного миоанализатора «Нейро-МВП-Нейрософт» (г. Иваново). Регистрация Н-рефлекса осуществлялась в положении лежа на спине в различных условиях: в покое, при изометрическом сокращении (подошвенное сгибание стопы) в 5 и 30 % от максимального произвольного сокращения (МПС) на мультисуставном комплексе Biodex Multi-Joint System Pro-3 (Biodex Medical System, США). Во время исследуемого движения подавалась вибростимуляция в область ахилового сухожилия, испытуемые применяли прием Ендрассика или решали арифметические задачи.

Результаты

Средняя амплитуда Н-рефлекса камбаловидной мышцы в состоянии покоя составляла 4031 мкВ, икроножной мышцы – 1104,1 мкВ. Эти показатели были приняты за фон. Под влиянием вибростимуляции амплитуда Н-реф- лекса камбаловидной мышцы подавлялась. Снижение составляло 82,1 % под влиянием стимуляции без напряжения мышцы, 80,5 % – при воздействии вибрации на фоне изометрического напряжения 5 % от МПС, и 58 % – при напряжении 30 % от МПС.

При применении приема Ендрассика также происходило подавление амплитуды Н-рефлекса камбаловидной мышцы, но снижение было меньше, чем при воздействии вибрации. Так, без напряжения амплитуда Н-рефлекса была ниже на 60,1 % относительно фона, при изометрическом напряжении 5 и 30 % от МПС снижение составляло 56,1 и 41,9 % соответственно.

Наименьшее влияние на снижение амплитуды Н-рефлекса камбаловидной мышцы оказывало решение математических задач. Изменения составили 46,1, 46,9 и 35,5 % без напряжения, при напряжении 5 и 30 % от МПС соответственно.

Амплитуда Н-рефлекса икроножной мышцы при воздействии вибростимуляции также подавлялась, но снижение показателей в процентном отношении было меньше, чем у камбаловидной мышцы. Амплитуда икроножной мышцы без напряжения снижалась на 33,5 %, при усилии 5 и 30 % от МПС снижение составляло 41,8 и 21,3 % соответственно. При выполнении приема Ендрассика и решении математических задач подавление амплитуды Н-рефлекса икроножной мышцы происходило только в покое и при усилии в 5 % от МПС, в 30 % от МПС амплитуда превышала фоновые значения на

12,1 и 13,2 %.

При сочетанном воздействии вибростимуляции и приема Ендрассика снижение амплитуды Н-рефлекса камбаловидной мышцы в покое и при напряжении 5 и 30 % составляло 79, 71,1 и 65 % соответственно. Подавление амплитуды при таком сочетании воздействий было меньше, чем при использовании только вибрации, но больше, чем только при применении приема Ендрассика. Воздействие вибростимуляции в сочетании с решением математических задач также приводило к значительному подавлению амплитуды Н-рефлекса камбаловидной мышцы. Применение данных сочетаний воздействия подавляло амплитуду Н-рефлекса икроножной мышцы при всех трех условиях регистрации.

Обсуждение

Подавление Н-рефлекса под воздействием вибрационной стимуляции в состоянии мышечного покоя отражает выраженность пресинаптического торможения α-мотонейронов спинного мозга и свидетельствует о модуляции нисходящих корковых влияний афферентной импульсацией, поступающей от проприорецепторов мышц. Наименьшая величина подавления Н-рефлекса наблюдалась при воздействии вибрации на фоне изометрического напряжения в 30 % от МПС. Вибрация мышц или сухожилия, активируя афференты Ia, подавляет Н-рефлекс в покое, а в сочетании с произвольным напряжением мышц ведет к увеличению рефлекса1.

1Ganges in presynaptic inhibition of la fabres at the onset of voluntary contraction in man / H. Hultborn, S. Meunier, E. Pierrot-Deseilligny [et al.] // J. Physiol. 1987. Vol. 389. P. 757.

Известно, что если коленный и другие Т-рефлексы нижних конечностей ослаблены, их можно усилить c помощью приема Ендрассика. Развиваемое при этом усилие облегчает активацию мотонейронов поясничного отдела спинного мозга. Аналогичным образом Т-рефлексы облегчаются под влиянием слабой фоновой активности мотонейронов, т.е. при незначительном напряжении иннервируемых ими мышц.

В собственном исследовании мы не получили облегчения Н-рефлекса камбаловидной мышцы с помощью приема. Облегчение Н-рефлекса было зарегистрировано только в икроножной мышце при изометрическом напряжении в 30 % от МПС на фоне использования приема Ендрассика и решения математических задач.

УДК 539.3

ФАРМАКОФОРНЫЙ ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКОГО БАРЬЕРА

О.А. Гришина, М.М. Слепченков, О.Е. Глухова

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского,

Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, lelik19s@rambler.ru

Ключевые слова: гематоэнцефалический барьер, супрамолекулярные транспортные системы, молекулярная динамика, биологическая мишень.

Введение

На сегодняшний день одной из основных патологий, приводящих к смертности детей первого года жизни, является перинатальное поражение нервной системы [1]. Лечение инсульта головного мозга новорожденных осложнено по причине того, что лекарственные препараты, применяемые для взрослых, неэффективны для новорожденных. Это объясняется наличием гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), который не пропускает нейротропные препараты в область головного мозга новорожденных. Одной из основных задач современной медицины и фармакологической индустрии является доставка нейротропных препаратов в мозг новорожденных, а также изучение степени проницаемости ГЭБ для различных веществ.

В настоящее время исследование проницаемости ГЭБ осуществляется на живых организмах (in vivo), на клеточных культурах (in vitro) и на молекулярных математических моделях (in silico). Методы молекулярного моделирования позволяют решать широкий класс задач трансляционной медицины, зачастую не доступных для решения с помощью экспериментальных методов. Раскрытие механизмов регуляции барьерной функции мозга с помощью методов молекулярного моделирования позволит понять процессы проникновения биологически активных веществ в мозговую ткань и оценить влияние различных внешних факторов.

Целью данной работы является построение атомистической и крупнозернистой модели структурных компонентов ГЭБ для разработки информационной платформы адресной доставки лекарств к ГЭБ, их эффективного взаимодействия с его структурными элементами и терапевтического эффекта в отношении церебральной микроциркуляции.

Кадгерин является специфичным рецептором, который располагается на поверхности эндотелия в зоне ГЭБ и может служить мишенью для адресной доставки лекарственных препаратов супрамолекулярной системой. Построение крупнозернистых моделей кадгерина и антител осуществлялось с целью

упрощения атомистической модели белкового комплекса путем объединения групп атомов в эффективные виртуальные укрупненные частицы (зерна), взаимодействие между которыми может быть описано с использованием эмпирических потенциалов взаимодействия. Методом молекулярной динамики проведен фармакофорный поиск пространственных признаков, необходимых для обеспечения оптимальных супрамолекулярных взаимодействий белка с биологической мишенью.

Моделирование полноатомной структуры антитела кадгерина

Моделирование процесса сборки атомной структуры антитела кадгерина проводилось в силовом поле AMBER [2] с использованием многоцелевого пакета молекулярного моделирования HARLEM (HAmiltonians to Research LargE Molecules) [3].

Биологически активный домен кадгерина представляет собой последовательность из 213 аминокислот. Структура данного белка открыта в 2002 г., и его полноатомная модель хранится в Protein Data Bank [4].

Первичная структура специфичного к кадгерину антитела, состоящая из 784 аминокислот, секвенирована в 2013 г. [5]. Построение модели биомакромолекулы требует учета особенностей укладки вторичной структуры протеинов и формирование из нее третичной структуры.

Алгоритм сборки атомистической структуры исследуемого белка:

–осуществлялось пошаговое моделирование взаимодействия аминокислот, из которых образуется антикадгерин, путем навязывания химической

связи между аминогруппой –NН2 одной аминокислоты и карбоксильной группой –СООН другой аминокислоты;

–после присоединения каждой последующей аминокислоты проводилась оптимизация структуры формирующейся пептидной цепи путем минимизации ее полной энергии методом наискорейшего спуска и сопряженных градиентов;

–на каждом шаге воссоздания пептидной цепи проводилось наблюдение за поведением белковой структуры. Если добавление последующей аминокислоты сопровождалось формированием регулярной вторичной структуры, то между этими сегментами достраивались дополнительные водородные связи, присущие данной регулярной структуре согласно известным данным.

В результате поэтапного добавления и оптимизации структурных звеньев будущей молекулы в порядке очередности, установленном первичной структурой белка, была воссоздана полноатомная структура антикадгерина (рис. 1).

Впроцессе восстановления пептидной цепи остова при построении полноатомной структуры антикадгерина наблюдается образование альтернативных водородных связей между аминокислотами. Моделирование полноатомной структуры протеинов осуществлялось при температуре 309 К. Энергообмен, происходящий в процессе воспроизведения полноатомной структуры белковой молекулы, учитывался с помощью термостата Берендсена [6].

Крупнозернистая модель кадгерина и его антитела

Построение крупнозернистой модели кадгерина и его антитела осуществлялось с использованием оригинального программного пакета KVAZAR [7]. За основу была взята известная крупнозернистая модель, разработанная в Beckman Institute for Advanced Science and Technology, Center for Biophysics and Computational Biology [8].

Теоретические основы создания крупнозернистых моделей биологической макромолекулы заключаются: 1) в эффективном объединении в одну «виртуальную» укрупненную частицу группы взаимодействующих химически атомов, эффективном с энергетической, топологической позиций и с позиции полярности; 2) в построении энергетического потенциала биологической макромолекулы, описывающего химическое взаимодействие между укрупненными частицами, электростатическое – между полярными частицами, водородные связи и ван-дер-ваальсовое взаимодействие между несвязанными атомами. Центр псевдоатома находится в центре масс группы. Такой подход является оправданным с физической точки зрения, поскольку созданная в итоге укрупненная модель макромолекулы будет и в новом масштабе правильно отображать распределение зарядов и дипольных моментов структуры. Масса псевдоатома определяется массой образующих его реальных атомов.

На рис. 2 представлена крупнозернистая модель антикадгерина. На рис. 3 представлена полноатомная атомистическая структура кадгерина, на основе которой строилась крупнозернистая молекула (рис. 4).

Результаты

В данной работе впервые проведено построение полноатомной модели антитела, специфичного к кадгерину. На основе построенной полноатомной модели антикадгерина и известной полноатомной модели кадгерина впервые осуществлена сборка этих структур в крупнозернистые модели.

Изучение энергетических параметров атомистических биоструктур осуществлялось молекулярно-механическим методом с потенциалом AMBER в рамках метода молекулярной динамики. Переход к крупнозернистому подходу осуществлен в результате моделирования структуры протеинов не тысячью атомами, а сотней укрупненных частиц, что позволит симулировать реальные процессы взаимодействия протеиновых комплексов с другими макромолекулами и клетками, и тем самым, не теряя точности расчета, увеличить его скорость.

На основе полученных результатов можно исследовать взаимодействие между крупнозернистыми молекулами кадгерина и антикадгерином с целью изучения механизма работы гематоэнцефалического барьера и разработки на основе полученных закономерностей оптимальной супрамолекулярной системы для доставки лекарственных препаратов.

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда

(проект № 14-15-00128, СГУ).

Список литературы

1. Kittner S. Stroke in the young: coming of age // Neurоlogy. – 2002. – Vol. 59, no. 1. – P. 6–7.

2. Wang J., Wolf R.M., Caldwell J.W., Kollman P.A., Case D.A. Development and testing of a general amber force field // J. Comput Chem. – 2004. – Vol. 25, no. 9. – P. 1157–1174.

3.Программный комплекс Harlem [Электронный ресурс]. – URL: http: //harlem.chem.cmu.edu.

4.Boggon T.J., Murray J., Chappuis-Flament S., Wong E., Gumbiner B.M., Shapiro L. C-cadherin ectodomain structure and implications for cell adhesion mechanisms // Science. – 2002. – Vol. 296. – P. 1308–1313.

5.Herwig M.C., Tsokos M., Hermanns M.I., Kirkpatrick C.J., Muller A.M. Vascular endothelial cadherin expression in lung specimens of patients with sepsis-induced acute respiratory distress syndrome and endothelial cell cultures // Pathobiology. – 2013. – Vol. 80, no. 5. – P. 245–251.

6.Berendsen H.J., Postma J.P., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. Molecular-Dynamics with

Coupling to an External Bath // Journal of Chemical Physics. – 1984. – Vol. 81, no. 8. –

P. 3684–3690.

7.Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2014610217 «Многопроцессорный программно-информационный комплекс моделирования молекулярных систем для суперЭВМ KVAZAR» / Глухова О.Е., Савостьянов Г.В., Сафонов Р.А.

8.Shih A.Y., Arkhipov A., Freddolino P.L., Schulten K. A coarse grained protein-lipid model with application to lipoprotein particles // J. Phys Chem B. – 2006. – Vol. 110, no. 8. – P. 3674–3684.